新型自动气象（气候）站功能规格书 - 图文(2)

e) 自动气象站质量控制程序指南（ET AWS-4, FINAL REPORT, Annex 3. WMO .

CBS ） f)

NOAA Automated Surface Observing System（ASOS）User’s Guide 1998.3

2 组成结构

2.1 概述

新型自动气象（气候）站基于现代总线技术和嵌入式系统技术构建，采用了国际标准并遵循标准、开放的技术路线进行设计，它由硬件和软件两大部分组成。硬件包括采集器（1个主采集器和若干个分采集器）、外部总线、传感器、外围设备四部分；软件包括嵌入式软件、业务软件二部分。其总体结构如图1所示。

图1 总线式自动气象站结构

其中，温湿度测量既可以使用温湿度智能传感器，也可将温度、湿度传感器直接挂接到

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主采集器上；称重式降水传感器既可采用串口方式挂接在主采集器上，也可挂接在气候分采集器上。

自动气象站的核心是基于CAN（Controller Area Network，控制器区域网）总线技术和国际标准CANopen协议进行设计，涉及物理层、数据链路层和应用层的标准定义。满足此定义和功能规格书的主/分采集器具备统一的物理接口和应用接口，从而达到兼容、互换的目的。

为了实现自动气象站的最小配置，将基本气象要素传感器直接挂接在主采集器上。可以对自动气象站进行不同的配置，以实现不同观测任务或满足不同类别气象观测站的需要，以最大限度地方便维护和降低维护成本。

在已建自动气象站扩展新的测量要素或增加传感器时，不需要对系统已有的传感器连接、布线作改动，只需要将新的分采集器和/或传感器加入到系统中，并进行简单的软件升级/配置。

外围设备主要包括电源、[终端]微机、通信接口和外存储器。 2.2 采集器 2.2.1 主采集器

主采集器是自动气象站的核心，由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的 A/D 电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序和数据存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、外接存储器接口、以太网接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。其结构框如图2所示。

图2 自动气象站主采集器结构

主采集器嵌入式处理器的选取还应满足下列要求：

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a) 综合考虑速度、功耗、环境要求，能支持嵌入式实时操作系统的运行并具有内置的

Watchdog 功能，采用当前市场主流ARM9系列的32位处理器； b) 选择 16 位以上的 A/D 转换电路，以满足传感器的测量要求； c) 实时时钟电路能保证误差 15s/月的要求；

d) 程序存储器为非易失性的，容量满足嵌入式软件的容量要求，并具有 50% 的余量； e) 数据存储器为非易失性的，容量满足数据存储的要求，并具有 50% 的余量； f) RAM满足嵌入式软件的运行要求，并且有 30% 的余量。

主采集器直接挂接的传感器包括：气温、湿度、气压、降水量（翻斗或容栅式、大翻斗式）、风向（10m高度）、风速（10m高度）、总辐射、蒸发和能见度。其通道配置要求如表1所示。

表1 主采集器接入传感器通道配置要求 传感器类型 气温 湿度 气压 风向 风速 降水量 总辐射 能见度 蒸发量 称重降水 渐近开关 应具备表2所示的通信接口。

表2 主采集器通信接口配置要求

通信接口 CAN RS 232 RS 232 RS 485 RJ 45 主采集器应具备外接存储器，包括：

? 1 个CF 卡； ? 2 个USB。

主采集器应具备监测电路，包括： ? 主板温度测量； ? 主板电源测量； ? 交流供电检测；

通道类型 模拟（铂电阻） 模拟（电压） RS232 数字（7位格雷码） 数字（频率） 数字（计数） 模拟（差分电压） RS485或RS232 模拟（电流） RS485或RS232 数字（电平） 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 用途 主、分采集器通信 终端操作 GPS对时 业务计算机通信 网络通信 数量 1 2 1 1 1 -4-

? 主采集器机箱门状态检测。 主采集器应具备指示灯，包括：

? 系统指示灯（秒闪）； ? CF 卡指示灯。

在线编程接口应包括：RS 232或RJ 45。

主采集器的主要有两大功能：一是完成基本气象要素传感器和各个分采集器的采样数据，对采样数据进行控制运算、数据计算处理、数据质量控制、数据记录存储，实现数据通信和传输，与终端微机或远程数据中心进行交互；二是担当管理者角色，对构成自动气象站的其他分采集器进行管理，包括网络管理、运行管理、配置管理、时钟管理等以协同完成自动气象站的功能。 2.2.2 分采集器

分采集器由硬件和嵌入式软件组成。硬件包含高性能的嵌入式处理器、高精度的 A/D 电路、高精度的实时时钟电路、大容量的程序存储器、参数存储器、传感器接口、通信接口、CAN总线接口、监测电路、指示灯等，硬件系统能够支持嵌入式实时操作系统的运行。其结构框图如图3所示。

分采集器嵌入式处理器的选取还应满足下列要求：

a) 应综合考虑速度、功耗、环境要求，具有内置的 Watchdog 功能； b) 应选择 16 位以上的 A/D 转换电路，以满足传感器的测量要求； c) 实时时钟电路应能保证误差 15s/月的要求；

d) 程序存储器应为非易失性的，容量应满足嵌入式软件的容量要求，并具有 50% 的

余量；

e) 参数存储器应为非易失性的，容量应满足数据存储的要求，并具有 50% 的余量； f) RAM 应满足嵌入式软件的运行要求，并且有 30% 的余量。

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图3 自动气象站分采集器结构

按照气象要素性质的不同，分采集器划分为：

a) 基本观测气象要素采集器（各传感器直接挂接在主采集器）； b) 气候观测分采集器； c) 辐射观测分采集器； d) 地温观测分采集器； e) 土壤水分观测分采集器；

f) 云（云高、云量）、天气现象、积雪、水位等智能化传感器； g) 海洋气象观测分采集器； h) 温湿度智能传感器等。

分采集器负责所接入传感器对应气象要素的测量，在工作状态对挂接的传感器按预定的采样频率进行扫描，收到主采集器发送的同步信号后，将获得的采样数据通过总线发送给主采集器。各分采集器的通信接口和测量通道配置如表3。

表3 各分采集器的基本配置要求 接口数（个） 分采集器 至少可挂接传感器 CAN总线 气温（3支）、通风防辐射气候观测 罩（3组）、称重式降水量、大翻斗式雨量、风速（1.5米）、地表温度（红外） 总辐射、直接辐射、反射辐射、散射辐射、紫外辐射A、辐射观测 紫外辐射B、大气长波辐射（含腔件温度）、光合有效辐射、地球长波辐射（含腔件温度）、日照 地温观测 地表温度（铂电阻）、草面温度、土壤温度（5cm、1 1 12 （差分） 1 1 12 （其中10个差分电压） 1 1 RS232 模拟量 5 （其中2个差分电压） 7 1 测量通道（个） 并行数字频率计数量 量 计数量

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